Scanning helium ion microscope Zeiss ORION
(Рис.1) Сканирующий ионный гелиевый микроскоп Zeiss ORION

Extra broadening of the exciton line caused by He+ irradiation
(Рис.3) Дополнительное уширение экситонной линии, наведённое He+ ионным пучком

Lateral displacements in the quantum well
(Рис.5) Латеральное распределение дефектов в образце при облучении ионным пучком

Diffraction signal
(Рис.7) Спектры сигнала дифракции от областей, облученных различными ионными дозами

Современная технология Молекулярно-пучковой эпитаксии позволяет создавать полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми ямами, в которых ширина экситонного резонанса приближается к своему теоретическому пределу. Следующей проблемой, встающей на пути к созданию элементов фотонной логики и основанных на них приборов, является поиск метода их адресованного латерального структурирования.

Здесь мы представим метод латерального структурирования узких InGaAs/GaAs квантовых ям путём локального воздействия He+ ионного пучка. Будет продемонстрирована резонансная дифракционная решетка - объект, сочетающий в себе свойства дифракционной решетки и спектральную селективность двухмерного экситонного резонанса.

Оборудование

Латеральное структурирование квантовой ямы проводится с помощью сканирующего гелиевого ионного микроскопа Zeiss ORION (Рис.1). Сфокусированный ионный пучок проникает вглубь образца, вызывая дефекты в кристаллической решетке. Эти дефекты приводят к локальному увеличению неоднородного уширения экситонной линии.

Для исследования оптических свойств образцов и эффектов, наведённых в образце ионным пучком, мы используем метод резонансного экситонного отражения (Рис.2). Эксперименты проводятся в геометрии Брюстера, что позволяет избавиться от нежелательного отражения от поверхности образца. Детектирование спектров отражения выполняется с помощью фемтосекундного лазера Spectra Physics Tsunami и спектрометра МДР-23, имеющего CCD-линейку на месте выходной щели. Дифракция анализируется с помощью перестраеваемого монохроматического лазера TekhnoScan T&D-Scan и ФЭУ.

Эксперимент

Перед началом экспериментов по латеральному структурированию нами было исследовано как однородная ионная засветка влияет на оптические свойства квантовой ямы. На Рис.3 представлены спектры отражения участков образца, подвергнутых воздействию различной ионной дозы, и зависимость наведённого дополнительного уширения спектральной линии от дозы засветки.

Зная, как ионный пучок воздействует на квантовую яму, можно осуществить следующий шаг: создание дифракционной решетки. На образец He+ ионным пучком был нанесён периодический рисунок: 375 однородно засвеченных полос высотой 150мкм и шириной 400нм с периодом 800нм (Рис.4). Дозы облучения, используемые в эксперименте, на несколько порядков меньше доз, необходимых для начала процесса травления, - оптическое качество поверхности не меняется. Единственное отличие облученных и необлученных областей заключается в качестве квантовой ямы.

Темно-серые полосы соответствуют областям образца, засвеченным ионным пучком, светло-серые - незасвеченным. Моделирование процесса рассеяния ионов с использованием метода Монте-Карло позволяет получить латеральное распределение числа наведенных ионным пучком дефектов кристаллической решетки в плоскости квантовой ямы в зависимости от глубины её залегания (Рис.5). Данное распределение состоит из двух гауссовых кривых: одна (узкая и интенсивная) описывает воздействие первичного пучка, другая (широкая) - влияние вторичного пучка. Дальние "крылья" широкого гауссовского контура значительно понижают качество квантовой ямы в незасвеченных участках дифракционной решетки.

При засветке структурированных ионным пучком областей монохроматическим лазером с длиной волны, точно настроенной в экситонный резонанс, можно наблюдать дополнительный канализированный сигнал (Рис.7). Этот сигнал демострирует чёткие резонансные свойства и распространяется в направлении, соответствующем первому дифракционному порядку дифракционной решетки с периодом 800нм, освещенной под углом 74° (угол Брюстера для GaAs).
Нами были выполнены 5 решеток с различными ионными дозами. На Рис.6 показаны спектральные зависимости сигнала в дифракционном канале оптической схемы для каждой из пяти дифракционных решеток.

Заключение

Мы продемонстрировали возможность создания Дифракционных Оптических Элементов посредством локального изменения оптических свойств квантовой ямы слабым ионным He+ пучком. Пространственное разрешение данного метода структурирования - менее 800нм. Целью дальнейших исследований является достижение пространственного разрешения, достаточного для проявления свойств латерального квантования экститона в квантовой яме. Для A3B5 SQW-структур эта величина составляет 40-50нм.

Данное исследование проводится на оборудовании Ресурсных Центров СПбГУ "Нанофотоника" и "Нанотехнологии".
Работа поддерживается РФФИ, проект № 14-02-31617 mol a.
http://www.photon.spbu.ru, http://www.nano.spbu.ru

PDF-версия

Femtosecond laser Spectra Physics Tsunami
(Рис.2) Установка для оптической характеризации образцов

Diffraction grating
(Рис.4) Схематическое изображение нанесённой на образец дифракционной решетки

Diffraction signal
(Рис.6) Дифракционной сигнал на CCD-матрице